建筑物理课件5

2020/2/26第五章建筑防热1河北工程大学建筑学院孙凤明2020/2/26第五章建筑防热2第五章建筑防热室外热作用的特点及室外综合温度围护结构夏季隔热评价方法围护结构隔热能力的选择和隔热措施建筑的自然通风干热地区的建筑防热窗口遮阳2020/2/26第五章建筑防热3第一节夏季室外热作用的特点及室外综合温度一、室外热作用夏季，对建筑防热来说最不利的情况是在晴天，太阳辐射强度很大。白天，在强烈阳光照射下，围护结构外表面的温度大大高于室内的空气温度，热量从围护结构外表面向室内传递。夜间，围护结构外表面的温度迅速降低，由于受向天空长波辐射的影响，外表面温度甚至可低于室外空气温度。对多数无空调的建筑来说，在夜间，热量是从室内向室外传递，因此夏季围护结构内的传热是以24小时为一周期的波动热作用。图5－l为北京地区某建筑屋顶夏季在综合温度作用下的外表面和内表面的温度实测资料。2020/2/26第五章建筑防热4图5－1在太阳辐射热作用下某建筑的屋顶温度实测结果根据夏季热作用的特点，围护结构的传热效应按周期性不稳定传热来计算，评价围护结构防热优劣的标准也主要是其抵抗波动热作用的能力。2020/2/26第五章建筑防热5二、室外综合温度室外综合温度是将室外气温和太阳辐射对围护结构的热作用所产生的当量温度综合成的一个室外气象参数，以tsa表示。其计算式为:tsa＝te＋ρsI/αe（5－1）式中：tsa－－室外综合温度，℃；te－－室外空气温度，℃ρs－－围护结构外表面对太阳辐射的吸收系数，其值可查表5－1；I－－太阳辐射照度，w/m2；αe－－外表面换热系数，w/m2·k。（夏季的外墙和屋顶取19.0w/m2·k。）2020/2/26第五章建筑防热6表5－1太阳辐射吸收系数ρs值摘自《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）在式（5－1）中的ρsI/αe称为太阳辐射的“当量温度”，或“等效温度”，以teq表示：即，teq＝ρsI/αe（5－2）2020/2/26第五章建筑防热7图5－2为综合温度的组成，它是根据实测的室外空气温度和一屋顶外表面的日辐射照度按式（5－1）逐日计算得出的。综合温度随围护结构的朝向及外表面对日辐射的吸收率不同而有很大变化。图5－3表示不同朝向对室外综合温度的影响。由于各朝向表面所接受的太阳辐射照度有很大差异，对同样作法的外墙，东西向的室外综合温度最高值可以比南向墙的综合温度最高值大很多。2020/2/26第五章建筑防热8图5－2室外综合温度组成图5－3夏季各朝向室外1.室外综合温度；综合温度举例（在北纬30°）2.太阳辐射等效温度；3.室外空气温度2020/2/26第五章建筑防热9综合温度是以一日为周期波动的，式（5－1）仅给出了一般表达式，为了进行隔热计算，还必须确定综合温度的最大值、昼夜平均值和昼夜温度波动振幅。1.综合温度平均值（tsa）按下式计算tsa＝te＋ρsI/αe（5-3）式中te——室外日平均气温，℃；I——日平均太阳辐射照度，w／m2。我国主要城市夏季的日平均辐射照度值，按《民用建筑热工设计规范》（GB50176－93）采用2.综合温度最大值按下式计算tsamax＝tsa＋Atsa（5－4）式中：tsamax——综合温度最大值，℃；tsa－－综合温度平均值，℃；Atsa－－综合温度波动振幅，即综合温度最大值与平均值之差。℃。2020/2/26第五章建筑防热10其中，综合温度波动振幅Atsa受室外空气温度振幅和日辐射等效温度振幅的共同影响，其表达式为：Atsa=(Ate+Ateq)β（5－5）式中：Ate——室外气温振幅，℃；Ateq——太阳辐射等效温度振幅℃，其表达式为：Ateq＝(Imax-I)ρs/αeImax,I——分别为日辐射照度最大值及平均值，w／m2，可查规范（GB50176－93）；β——时差修正系数。考虑到室外气温最大值temax与日辐射等效温度最大值teqmax出现的时间不一致，故两者的振幅不能取简单的代数和，应乘以修正系数β。β值可根据Ateq与Ate的比值，和Iemax与tmax出现的时间差，查表5－2而近似求得。2020/2/26第五章建筑防热11表5－2时差（相位差）修正系数β值2020/2/26第五章建筑防热123.综合温度最大值的出现时间τtsamax,可近似地按振幅大小及时间差，由下式计算（5－7）式中：τtsamax——综合温度最大值的出现时间，h；τtemax——室外空气温度最大值的出现时间，h；Δτ——等效温度最大值出现时间与室外空气温度出现最大值的时间差，h。teqteteqtetsaAAAmaxmax2020/2/26第五章建筑防热13【例5一1】计算北京某一建筑的平屋顶在夏季某日的室外综合温度平均值和最高值。已知其为油毡屋面。日辐射吸收系数ρs值为0.9。当日的室外气温平均为26.1℃；最高值为30.8℃，出现在15时。水平面太阳辐射照度平均值为162.6W／m2；最高值为661W／m2；出现在12时。【解】①计算综合温度平均值tsa：按公式（5－3）：tsa＝26.1+(0.9×162.6)/19＝33.8℃②计算综合温度振幅Atsa：·等效温度振幅Ateq：用公式Ateq＝(Imax-I)ρs/αe＝(661-162.6)*0.9/19＝23.6℃·室外空气温度振幅Ate：Ate＝30.8-26.1＝4.7℃2020/2/26第五章建筑防热14·综合温度振幅Atsa：Ateq／Ate＝23.6／4.7＝5.02℃以及Imax与temax出现的时间差为15－12＝3小时，查表5－2，得时差修正系数β＝0.95Atsa＝(Ate+Ateq)β＝(4.7+23.6)0.95＝26.89℃③综合温度最高值tsamax及出现时间τtsamax按式（5－4）tsamax＝tsa+Atsa＝33.8+26.89＝60.69℃按式（5－7）τtsamax＝15＋23.6*3/(4.7+23.6)＝17.5时，即在17时30分。得：综合温度平均值为33.8℃，最高值为60.69℃，出现在17时30分左右。2020/2/26第五章建筑防热15第二节围护结构夏季隔热评价方法根据夏季热作用的特点，衡量围护结构的隔热优劣，主要采用的指标是围护结构对周期性热作用的衰减倍数和延迟时间，以及由此而得出在具体气象情况下的内表明最高温度。现分述如下。2020/2/26第五章建筑防热16一、围护结构衰减倍数围护结构在室外综合温度波的作用下，温度波沿厚度方向逐渐衰减，振幅越来越小，室外综合温度振幅Atsa与围护结构内表面的温度振幅Aθi的比值，称为该围护结构的衰减倍数νo即νo＝Atsa/Aθi（5－8）式中：νo——围护结构衰减倍数，无量纲；Atsa——综合温度波动振幅，℃；Aθi——内表面温度波动振幅，℃。显然，在同样的综合温度作用下，衰减倍数越大的围护结构其内表面的温度波动振幅就越小；因而内表面的最高温度也就愈低，即隔热性能愈好。衰减倍数值则可根据围护结构采用的构造和各层材料特性按下式计算：2020/2/26第五章建筑防热17图5－4围护结构衰减倍数计算式中：e------自然对数的底，e＝2.71828…；∑D------围护结构的总热惰性指标，等于各材料层热惰性指标之和：∑D＝D1+D2+……＋Dn＝R1S1+R2S2+……+RnSn；eennnnniDoYYSYSYSYSYSSe1221111129.0（5－9）2020/2/26第五章建筑防热18S1,S2,……Sn------各层材料的蓄热系数，w/(m2k)；Y1,Y2,……Yn------各层材料的外表面蓄热系数，其计算方法参见本书第一章，w/(m2k)。二、围护结构的延迟时间延迟时间指温度波通过围护结构的相位延迟，即内表面的最高温度出现时间与室外综合温度最大值的出现时间之差，以小时表示（图5－5）。2020/2/26第五章建筑防热19图5－5温度波的衰减和延迟对一般实体结构的延迟时间（ξo）可按下式计算:ξo=(5-10)225.40151eeeiiYYarctgYarctgD2020/2/26第五章建筑防热20式中；ξo－－围护结构的延迟时间（h)；Ye一－围护结构外表面的蓄热系数，即图5－4中最外层外表面的蓄热系数，在这里Ye＝Yn按第1章中公式计算；Yi－－围护结构内表面的蓄热系数，即图5－4中第一层（最内一层）内表面的蓄热系数；－－单位换算值，以1小时为15度，将度换算为小时；40.5——单位换算，即将弧度换算成度数，一弧度等于57.3度，则arctg－－以度计的反三角函数。151度；DD5.403.5722020/2/26第五章建筑防热21【例5－2】北京某建筑西墙的构造如图5－6，试求其衰减倍数νo、延迟时间ξo。【解】（1）计算各层热阻R和热惰性指标D：材料层dλRSD=RS钢筋混凝土0.051.740.028717.20.49岩棉板0.080.0641.250.931.163钢筋混凝土0.051.740.028717.20.49得：∑D＝2.143（2）计算各材料层外表面的蓄热系数Y：（a）围护结构各层的外表面蓄热系数（温度波由外向内时）：D11Y1=13.76D21Y2=S2=0.93Y1Y2Y3=YeYi=Y1’Y2’Y3’室内123室外508050图5－61.钢筋混凝土；2.岩棉板；3.钢筋混凝土2020/2/26第五章建筑防热22D31Y3=9.18Ye=Y3=9.18(b)围护结构内表面蓄热系数（温度波由内向外时）Y’:因D21Y2’=S2=0.93故可以直接计算第一层的Yi’D11Y1’=9.18Yi=Y1’=9.18(3)计算对室外综合温度波的衰减倍数νo：(αi取8.7,αe取19)νo=27.58倍(4)计算对室外综合温度波的延迟时间ξo：ξo＝5.28小时2020/2/26第五章建筑防热23三、内表面最高温度一般建筑围护结构的内表面最高温度既受室外综合温度及围护结构衰减倍数的影响，也受室内温度及其波动的影响，围护结构内表面最高温度应按下式计算：(5-12)其中，内面平均温度可按下式计算：(5-13)式中：θimax——内表面最高温度（℃）ti——室内计算温度平均值（℃）对一般无空调建筑可取ti=te＋1.5℃te－－室外计算温度平均值（℃），按《民用建筑热工设计规范）（GB50176－93）规定取值。iiotsaiiAAmax)(isaoiiittRRt2020/2/26第五章建筑防热24tsa——室外综合温度平均值（℃），按式（5－3）计算。Atsa——室外综合温度振幅（℃），按式（5－5）计算。Ati——室内计算温度振幅（℃）按室外计算温度振幅减1.5℃，即Ati=Ate－1.5℃νo——围护结构衰减倍数，按式（5－9）计算。ξo——围护结构延迟时间，(h)，按式（5－10）计算。νi——室内空气温度波动影响到围护结构内表面温度波动的衰减倍数，按下式计算:（5－14）Yi——内表面蓄热系数，［W/(m2·K)]，按（5-11）式计算αi——内表面换热系数，[W/(m2·K)]按前面表取值；ξi——室内最高温度出现时间与围护结构内表面最高温度出现时间之差，(h），即室内温度影响到内表面的延迟时间，按下式计算：iiiiY95.02020/2/26第五章建筑防热25β－－时差修正系数。β值根据由室外综合温度波动引起的内表面最高温度出现时间与由室内空气温度波动引起的内表面最高温度出现时间的时间差，和二者引起的内表面温度振幅（即Atsa/νo，和Aθi/ν2）的比值查表5－2可得。在以上计算中对一般无空调房间，室内空气温度最大值出现时间（h），通常取16；室外空气温度最大值出现时间（h），通常取15；太阳辐射照度最大值出现时间（h），通常取：水平及南向，12；东向，8；西向，16。根据《民用建筑热工设计规范》（G